Кривова З.В.^1,2, Мальцев Е.И.¹, Куликовский М.С.¹

Zinaida V. Krivova, Yevhen I. Maltsev, Maxim S. Kulikovskiy

¹Институт физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва, Россия)
²Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
биологический факультет (Москва, Россия)

УДК 581.192.2

Жирные кислоты широко применимы в различных сферах: в медицине, сельском хозяйстве, при производстве биологически активных добавок и биотоплива, для поддержания аквакультур. Основным источником жирных кислот является рыбий жир, однако в качестве альтернативного ресурса может быть использована биомасса микроводорослей. Многие микроводоросли накапливают жирные кислоты в количествах, достаточных для использования в биотехнологии. Данная работа посвящена исследованию биохимического состава эустигматофитовых водорослей. Большинство представителей этого класса накапливают такие востребованные в биотехнологии полиненасыщенные жирные кислоты как эйкозапентаеновая и докозагексаеновая, при этом сохраняя необходимые темпы роста биомассы. Штаммы Vischeria vischeri, описанные в этой работе, выделены из почвенных проб. Полученные профили жирных кислот показывают, что при росте на среде BBM c тройной концентрацией азота штаммы запасают высокий процент насыщенной пальмитиновой, мононенасыщенной пальмитолеиновой и полиненасыщенной эйкозапентаеновой кислот. Было показано, что штаммы накапливают длинноцепочечные насыщенные жирные кислоты: бегеновую и цератиновую. Кроме того, один из штаммов накапливает редкие длинноцепочечные полиненасыщенные жирные кислоты: стеаридоновую, эйкозадиеновую и дигомо-γ-линолевую кислоту. Также с этими штаммами был проведен эксперимент по депривации фосфора: в результате этого исследования было выявлено, что качественный состав жирных кислот штаммов практически не изменился, однако, концентрации насыщенных и мононенасыщенных кислот стали выше, а полиненасыщенных – снизились. Данная тенденция в изменении концентраций жирных кислот сохранилась для всех описанных штаммов.

Ключевые слова: Vischeria vischeri; почвенные микроводоросли; жирные кислоты; стрессирование; биотехнология.

В настоящее время ведение здорового образа жизни набирает популярность в развитых странах. В связи с этим проходит довольно много исследований, посвященных корректировке рациона современного человека. По результатам множества клинических исследований было показано, что полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) необходимы для функционирования нервной системы (Jandacek, 2017; Liau et al., 2021), предотвращают нейродегенеративные заболевания и психические расстройства, защищают от сердечно-сосудистых заболеваний, инфекций и и онкологических заболеваний (Roach et al., 2020). Наиболее важными ПНЖК в этом контексте являются омега-3: докозагексаеновая (DHA, cis-∆4,7,10,13,16,19-22:6n-3), эйкозапентаеновая (EPA, cis-∆5,8,11,14,17-20:5n-3) и α-линоленовая (ALA, cis-∆9,12,15-18:3n-3) кислоты. Стоит отметить, что омега-6 линолевая(LA, cis-∆ 9,12-18:2n-6) и арахидоновая (ARA, cis-∆5,8,11,14-20:4n-6) кислоты также играют важную роль в метаболизме. Рыбий жир является основным источником этих омега-3 ПНЖК, но производство и переработка данного источника связаны с высокими производственными затратами, которые в основном связаны с выделением и очисткой ЖК от множества примесей. Кроме того, преимущества производства ПНЖК из рыбы поставлено под сомнение в связи с высоким потенциальным риском загрязнения окружающей среды и сокращением популяции рыб после десятилетий чрезмерного вылова, который наносит постоянный экологический ущерб (González-Hedström et al., 2020). Также сейчас особенным спросом пользуются альтернативные животному происхождению и органические продукты, поэтому так актуален поиск замены основного источника жирных кислот. Микроводоросли в настоящее время рассматриваются в качестве перспективного альтернативного сырья, в том числе для производства БАДов, для косметологии и медицины. Кроме описанных выше ПНЖК, водоросли накапливают и другие, важные для здоровья человека жирные кислоты, включая γ-линолевую (GLA, cis-∆6, 9,12-18:3, омега-6), стеаридоновую (SDA, cis-∆6,9,12,15-18:3n-3, омега-3), дигомо-γ-линолевую (DGLA, cis-∆8,11,14-20:3n-6, омега-6), эйкозадиеновую (EDA, cis-∆11,14-20:2n-6, омега-6), докозапентаеновую (DPA, cis-∆7,10,13,16,19-22:5n-3, омега-3) кислоты (Jovanovic et al., 2021). Также они могут стать хорошей заменой из-за их высокоэффективного преобразования солнечной энергии в биомассу, быстрых темпов роста и высокого уровня производства липидов по сравнению с другими наземными растениями (Gao et al., 2016). Эустигматофитовые водоросли хорошо известны как первичные продуценты ПНЖК при одновременной высокой производительности (Kryvenda et al., 2018).

Материалом для данной работы послужили штаммы эустигматофитовых водорослей, выделенные из почвенных проб, отобранных в хвойных и лиственных насаждениях. Изоляция отдельных клеток микроводорослей проводилась с помощью микропипетки под световым инвертированным микроскопом Zeiss AxioScope A1 (Германия) с очищением каждой клетки в нескольких каплях дистиллированной воды. Альгологически чистые монокультуры водорослей содержались в жидкой среде BBM (Bischoff, Bold, 1963) с тройной концентрацией азота и BBM без добавления фосфора в колбах Эрленмейера (250 мл) при 25°C и постоянном освещении 100 мкмоль фотонов∙м⁻²∙с⁻¹. Таксономическое положение штаммов определялось с помощью анализа морфологии с использованием микроскопа Zeiss AxioScope A1 (Германия), а также молекулярно-филогенетических исследований. Выделение ДНК из эустигматофитовых водорослей производилось набором InstaGene Matrix (BIORAD, США) в соответствии с протоколом производителей. Последовательности, кодирующие баркодинговый регион V4 гена 18S рРНК (390–410 н.), были амплифицированы с использованием праймеров D512 и D978 (Zimmermann et al., 2015). Штаммы были проанализированы после достижения стационарной фазы роста. Для получения жирнокислотных профилей использовался метод экстрагирования метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК) с помощью гексана. Состав МЭЖК определяли с использованием ГХ-МС (газовая хроматография/масс-спектрометрия) на приборе Agilent 7890A GC (Agilent Technologies, Inc., США) с 60-м капиллярной колонкой DB-23 с внутренним диаметром 0,25 мм.

Было исследовано три штамма эустигматофитовых водорослей MZ–E1, MZ–E3, MZ–E4. Согласно морфологическому и молекулярно-генетическому анализу, все проанализированные штаммы принадлежат к виду Vischeria vischeri. Данные жирнокислотных профилей показали, что качественные составы всех штаммов сходны, однако штамм MZ–E3 запасает больше видов ПНЖК в отличие от штаммов MZ–E1 и MZ–E4, например дигомо-γ-линолевую кислоту, стеаридоновую и эйкозадиеновую кислоты. При росте на среде BBM с тройной концентрацией азота мажорными для штаммов оказались насыщенная пальмитиновая 16:0 (16,76% у штамма MZ–E1; 16,34% – MZ–E3; 22,1% – MZ–E4), мононенасыщенная пальмитолеиновая cis-∆9-16:1n-7 (36,8% у штамма MZ–E1; 30,3% – MZ–E3; 27,05% – MZ–E4) и полиненасыщенная эйкозапентаеновая (15,02% у штамма MZ–E1; 27,08% – MZ–E3; 24,09% – MZ–E4) кислоты. Также отмечено, что при депривации фосфора качественный состав жирных кислот у штаммов практически не меняется, однако изменяются концентрации мажорных ЖК. При росте культуры на среде без фосфора увеличивается концентрация пальмитолеиновой кислоты (до 43,98% у штамма MZ–E1; до 48,8% у MZ–E3; до 27,05% у MZ–E4), но падает процент эйкозапентаеновой жирной кислоты (8,45%; 9,8% и 22,1% соответственно). Также исследуемые штаммы накапливают невысокие проценты длинноцепочечных насыщенных жирных кислот. Штамм MZ–E3 – бегеновую (22:0) кислоту, а штаммы MZ–E4 и MZ–E1– церотиновую (26:0). Однако при депривации фосфором эти кислоты не были обнаружены.

Полученные результаты исследования подтверждают, что фосфорное голодание влияет на количественный состав жирных кислот исследованных штаммов Vischeria vischeri, а дальнейшие исследования позволят раскрыть их биотехнологический потенциал.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-74-10076).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данном сообщении.

Список литературы

1. Bischoff H.W., Bold H.C. Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species // Phycological Studies IV. University of Texas Publ. 1963. V. 6318. P. 1–95.
2. Gao B., Yang J., Lei X., Xia S., Li A., Zhang C. Characterization of cell structural change, growth, lipid accumulation, and pigment profile of a novel oleaginous microalga, Vischeria stellata (Eustigmatophyceae), cultured with different initial nitrate supplies // Journal of Applied Phycology. 2016. V. 28, № 2. P. 821–830. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-015-0626-1
3. González-Hedström D., Granado M., Inarejos-García A.M. Protective effects of extra virgin olive oil against storage-induced omega 3 fatty acid oxidation of algae oil // NFS Journal. 2020. V. 21. P. 9–15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nfs.2020.08.003
4. Jandacek R.J. Linoleic acid: a nutritional quandary // Healthcare. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2017. V. 5, № 2. P. 25–32. DOI: https://doi.org/10.3390/healthcare5020025
5. Jovanovic S., Dietrich D., Becker J., Kohlstedt M., Wittmann C. Microbial production of polyunsaturated fatty acids – high-value ingredients for aquafeed, superfoods, and pharmaceuticals // Current Opinion in Biotechnology. 2021. V. 69. P. 199–211. DOI: https://doi.org/10.1016/j.copbio.2021.01.009
6. Kryvenda A., Rybalka N., Wolf M., Friedl T. Species distinctions among closely related strains of Eustigmatophyceae (Stramenopiles) emphasizing ITS2 sequence-structure data: Eustigmatos and Vischeria // European Journal of Phycology. 2018. V.53, №4. P. 471–491. DOI: https://doi.org/10.1080/09670262.2018.1475015
7. Liau M.C., Kim J.H., Fruehauf J.P. Arachidonic acid and its metabolites as surveillance differentiation inducers to protect healthy people from becoming cancer patients // Clin Pharmacol Toxicol Res. 2021. V. 4, № 1. P. 7–10.
8. Roach L.A., Russell K.G., Lambert K., Holt J.L., Meyer B.J. Polyunsaturated fatty acid food frequency questionnaire validation in people with end stage renal disease on dialysis // Nutrition & Dietetics. 2020. V. 77, № 1. P. 131–138. DOI: https://doi.org/10.1111/1747-0080.12483
9. Zimmermann J., Glöckner G., Jahn R., Enke N., Gemeinholzer B. Metabarcoding vs. morphological identification to assess diatom diversity in environmental studies // Molecular ecology resources. 2015. V. 15, № 3. P. 526–542. DOI: https://doi.org/10.1111/1755-0998.12336

Статья поступила в редакцию 20.06.2021
После доработки 09.11.2021
Статья принята к публикации 19.11.2021

Об авторах

Кривова Зинаида Викторовна – Zinaida V. Krivova

аспирант, Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, Москва, Россия (Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia), биологический факультет, кафедра микологии и альгологии; младший научный сотрудник, Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва, Россия (Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia), Группа экофизиологии микроводорослей

kosiapeya@mail.ru

Мальцев Евгений Иванович – Yevhen I. Maltsev

кандидат биологических наук, доцент
ведущий научный сотрудник, Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва, Россия (Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia)

ye.maltsev@gmail.com

Куликовский Максим Сергеевич – Maxim S. Kulikovskiy

доктор биологических наук
главный научный сотрудник, зав. Лабораторией молекулярной систематики водных растений, Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва, Россия (Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia)

max-kulikovsky@yandex.ru

Корреспондентский адрес: 127276, Россия, Москва, Ботаническая ул., 35, ИФР РАН; тел. (499) 678-54-00.

ССЫЛКА:

Кривова З.В., Мальцев Е.И., Куликовский М.С. Влияние фосфорного голодания на жирнокислотный состав штаммов рода Vischeria // Вопросы современной альгологии. 2021. № 2 (26). С. 159–163. URL: http://algology.ru/1735

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2021-2(26)-159-163

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

The effect of phosphorus starvation on the fatty acid composition
of Visheria strains

Zinaida V. Krivova^1,2, Yevhen I. Maltsev¹, Maxim S. Kulikovskiy¹

¹Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS (Moscow, Russia)
²Lomonosov Moscow State University (Moscow, Russia)

Fatty acids are widely used in various fields: in medicine, agriculture, in the production of dietary supplement and biofuels, for the maintenance of aquaculture. The main source of fatty acids is fish oil. The relevance of the search for an alternative to fish oil as a source of fatty acids remains relevant today. Many microalgae accumulate fatty acids in quantities sufficient for use in biotechnology. Many studies are currently being conducted on the biochemistry of eustigmatophyceae algae. Most representatives of this class accumulate such polyunsaturated fatty acids as eicosapentaenoic and docosahexaenoic, which are in demand in biotechnology, while maintaining the necessary growth rates of biomass. The strains of Vischeria vischeri described in this work were isolated from soil samples. The obtained fatty acid profiles show that the strains when growing on a BBM medium with a triple nitrogen concentration store a high percentage of saturated palmitic, monounsaturated palmitoleic and polyunsaturated eicosopentaenoic acids. In addition, one of the strains accumulates rare long-chain polyunsaturated fatty acids: stearidonic acid, eicosodienoic acid, and digomo-γ-linoleic acid. Also, an experiment on phosphorus deprivation was conducted with these strains: as a result of this study, it was found that the composition of the fatty acids of the strains practically did not change, however, the concentrations of saturated and monounsaturated acids became higher, and polyunsaturated ones decreased. This trend in changes in the concentrations of fatty acids remained for all the described strains. The strains have been shown to accumulate long-chain saturated fatty acids: behenic and cerotic.

Key words: Vischeria vischeri; soil microalgae; fatty acids; biotechnology; phosphorus deprivation.

References

1. Bischoff H.W., Bold H.C. Some soil algae from Enchanted Rock and related algal species. Phycological Studies IV, University of Texas Publ, 1963. V. 6318. P. 1–95.
2. Gao B., Yang J., Lei X., Xia S., Li A., Zhang C. Characterization of cell structural change, growth, lipid accumulation, and pigment profile of a novel oleaginous microalga, Vischeria stellata (Eustigmatophyceae), cultured with different initial nitrate supplies. Journal of Applied Phycology. 2016. V. 28, № 2. P. 821–830. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-015-0626-1
3. González-Hedström D., Granado M., Inarejos-García A.M. Protective effects of extra virgin olive oil against storage-induced omega 3 fatty acid oxidation of algae oil. NFS Journal. 2020. V. 21. P. 9–15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nfs.2020.08.003
   
4. Jandacek R.J. Linoleic acid: a nutritional quandary. Healthcare. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2017. V. 5, №. 2. P. 25–32. DOI: https://doi.org/10.3390/healthcare5020025
5. Jovanovic S., Dietrich D., Becker J., Kohlstedt M., Wittmann, C. Microbial production of polyunsaturated fatty acids – high-value ingredients for aquafeed, superfoods, and pharmaceuticals. Current Opinion in Biotechnology. 2021. V. 69. P. 199–211. DOI: https://doi.org/10.1016/j.copbio.2021.01.009
6. Kryvenda A., Rybalka N., Wolf M., Friedl T. Species distinctions among closely related strains of Eustigmatophyceae (Stramenopiles) emphasizing ITS2 sequence-structure data: Eustigmatos and Vischeria. European Journal of Phycology. 2018. V.53, №4. P.471–491. DOI: https://doi.org/10.1080/09670262.2018.1475015
7. Liau M.C., Kim J.H., Fruehauf J.P. Arachidonic acid and its metabolites as surveillance differentiation inducers to protect healthy people from becoming cancer patients. Clin Pharmacol Toxicol Res. 2021. V.4, № 1. P. 7–10.
8. Roach L.A., Russell K.G., Lambert K., Holt J.L., Meyer B.J. Polyunsaturated fatty acid food frequency questionnaire validation in people with end stage renal disease on dialysis. Nutrition & Dietetics. 2020. V. 77, № 1. P. 131–138. DOI: https://doi.org/10.1111/1747-0080.12483
9. Zimmermann J., Glöckner G., Jahn R., Enke N., Gemeinholzer, B. Metabarcoding vs. morphological identification to assess diatom diversity in environmental studies. Molecular ecology resources. 2015. V.15, № 3. P. 526–542. DOI: https://doi.org/10.1111/1755-0998.12336

Authors

Krivova Zinaida V.

ORCID – https://orcid.org/0000-0002-9928-4810

Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia;
Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia

kosiapeya@mail.ru

Maltsev Yevhen I.

ORCID – https://orcid.org/0000-0003-4710-319X, eLIBRARY AuthorID – 745467

Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia

ye.maltsev@gmail.com

Kulikovskiy Maxim S.

ORCID – https://orcid.org/0000-0003-0999-9669

Timiryazev Institute of Plant Physiology RAS, Moscow, Russia

max-kulikovsky@yandex.ru

ARTICLE LINK:

Krivova Z.V., Maltsev Ye.I., Kulikovskiy M.S. The effect of phosphorus starvation on the fatty acid composition of Visheria strains.Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2021. № 2 (26). P. 159–163. URL: http://algology.ru/1735

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2021-2(26)-159-163

When reprinting a link to the site is required

Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor,please and we send it to you with pleasure for free. 
Address - info@algology.ru

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147